生物醫(yī)學(xué)信號分析

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1概述

1.1生物醫(yī)學(xué)信號及其特點(diǎn)

生物醫(yī)學(xué)信號是一種由復(fù)雜的生命體發(fā)出的不穩(wěn)定的自然信號,屬于強(qiáng)噪聲背景下的低頻微弱信號,信號本身特征、檢測方式和處理技術(shù),都不同于一般的信號。生物醫(yī)學(xué)信號可以為源于一個生物系統(tǒng)的一類信號,這些信號通常含有與生物系統(tǒng)生理和結(jié)構(gòu)狀態(tài)相關(guān)的信息。生物醫(yī)學(xué)信號種類繁多,其主要特點(diǎn)是:信號弱、隨機(jī)性大、噪聲背景比較強(qiáng)、頻率范圍一般較低,還有信號的統(tǒng)計特性隨時間而變,而且還是非先驗(yàn)性的。

1.2生物醫(yī)學(xué)信號分類

按性質(zhì)生物信號可分為生物電信號(BioelectricSignals),如腦電、心電、肌電、胃電、視網(wǎng)膜電等;生物磁信號(BiomagneticSignals),如心磁場、腦磁場、神經(jīng)磁場;生物化學(xué)信號(BiochemicalSignals),如血液的pH值、血?dú)?、呼吸氣體等;生物力學(xué)信號(BiomechanicalSignals),如血壓、氣血和消化道內(nèi)壓和心肌張力等;生物聲學(xué)信號(BioacousticSignal),如心音、脈搏、心沖擊等。按來源生物醫(yī)學(xué)信號可大致分為兩類:(1)由生理過程自發(fā)產(chǎn)生的主動信號,例如心電(ECG)、腦電(EEG)、肌電(EMG)、眼電(EOG)、胃電(EGG)等電生理信號和體溫、血壓、脈博、呼吸等非電生信號;(2)外界施加于人體、把人體作為通道、用以進(jìn)行探查的被動信號,如超聲波、同位素、X射線等。

2生物醫(yī)學(xué)信號的檢測及方法

生物醫(yī)學(xué)信號檢測是對生物體中包含的生命現(xiàn)象、狀態(tài)、性質(zhì)和成分等信息進(jìn)行檢測和量化的技術(shù),涉及到人機(jī)接口技術(shù)、低噪聲和抗干擾技術(shù)、信號拾取、分析與處理技術(shù)等工程領(lǐng)域,也依賴于生命科學(xué)研究的進(jìn)展。信號檢測一般需要通過以下步驟(見圖1)。①生物醫(yī)學(xué)信號通過電極拾取或通過傳感器轉(zhuǎn)換成電信號;②放大器及預(yù)處理器進(jìn)行信號放大和預(yù)處理;③經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行采樣,將模擬信號轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號;④輸入計算機(jī);⑤通過各種數(shù)字信號處理算法進(jìn)行信號分析處理,得到有意義的結(jié)果。生物醫(yī)學(xué)信號檢測技術(shù)包括:(1)無創(chuàng)檢測、微創(chuàng)檢測、有創(chuàng)檢測;(2)在體檢測、離體檢測;(3)直接檢測、間接檢測;(4)非接觸檢測、體表檢測、體內(nèi)檢測;(5)生物電檢測、生物非電量檢測;(6)形態(tài)檢測、功能檢測;(7)處于拘束狀態(tài)下的生物體檢測、處于自然狀態(tài)下的生物體檢測;(8)透射法檢測、反射法檢測;(9)一維信號檢測、多維信號檢測;(10)遙感法檢測、多維信號檢測;(11)一次量檢測、二次量分析檢測;(12)分子級檢測、細(xì)胞級檢測、系統(tǒng)級檢測。

3生物醫(yī)學(xué)信號的處理方法

生物醫(yī)學(xué)信號處理是研究從被干擾和噪聲淹沒的信號中提取有用的生物醫(yī)學(xué)信息的特征并作模式分類的方法。生物醫(yī)學(xué)信號處理的目的是要區(qū)分正常信號與異常信號,在此基礎(chǔ)上診斷疾病的存在。近年來隨著計算機(jī)信息技術(shù)的飛速發(fā)展,對生物醫(yī)學(xué)信號的處理廣泛地采用了數(shù)字信號分析處理方法:如對信號時域分析的相干平均算法;對信號頻域分析的快速傅立葉變換算法和各種數(shù)字濾波算法;對平穩(wěn)隨機(jī)信號分析的功率譜估計算法和參數(shù)模型方法;對非平穩(wěn)隨機(jī)信號分析的短時傅立葉變換、時頻分布(維格納分布)、小波變換、時變參數(shù)模型和自適應(yīng)處理等算法;對信號的非線性處理方法如混沌與分形、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法等。下面介紹幾種主要的處理方法。

3.1頻域分析法

信號的頻域分析是采用傅立葉變換將時域信號x(t)變換為頻域信號X(f),從而將時間變量轉(zhuǎn)變成頻率變量,幫助人們了解信號隨頻率的變化所表現(xiàn)出的特性。信號頻譜X(f)描述了信號的頻率結(jié)構(gòu)以及在不同頻率處分量成分的大小,直觀地提供了從時域信號波形不易觀察得到頻率域信息。頻域分析的一個典型應(yīng)用即是對信號進(jìn)行傅立葉變換,研究信號所包含的各種頻率成分,從而揭示信號的頻譜、帶寬,并用以指導(dǎo)最優(yōu)濾波器的設(shè)計。

3.2相干平均分析法

生物醫(yī)學(xué)信號常被淹沒在較強(qiáng)的噪聲中,且具有很大的隨機(jī)性,因此對這類信號的高效穩(wěn)健提取比較困難。最常用的常規(guī)提取方法是相干平均法。相干平均(CoherentAverage)主要應(yīng)用于能多次重復(fù)出現(xiàn)的信號的提取。如果待檢測的醫(yī)學(xué)信號與噪聲重疊在一起,信號如果可以重復(fù)出現(xiàn),而噪聲是隨機(jī)信號,可用疊加法提高信噪比,從而提取有用的信號。這種方法不但用在誘發(fā)腦電的提取,也用在近年來發(fā)展的心電微電勢(希氏束電、心室晚電位等)的提取中。

3.3小波變換分析法

小波分析是傳統(tǒng)傅里葉變換的繼承和發(fā)展,是20世紀(jì)80年代末發(fā)展起來的一種新型的信號分析工具。目前,小波的研究受到廣泛的關(guān)注,特別是在信號處理、圖像處理、語音分析、模式識別、量子物理及眾多非線性科學(xué)等應(yīng)用領(lǐng)域,被認(rèn)為是近年來在工具及方法上的重大突破。小波分析有許多特性:多分辨率特性,保證非常好的刻畫信號的非平穩(wěn)特征,如間斷、尖峰、階躍等;消失矩特性,保證了小波系數(shù)的稀疏性;緊支撐特性,保證了其良好的時頻局部定位特性;對稱性,保證了其相位的無損;去相關(guān)特性,保證了小波系數(shù)的弱相關(guān)性和噪聲小波系數(shù)的白化性;正交性,保證了變換域的能量守恒性;所有上述特性使小波分析成為解決實(shí)際問題的一個有效的工具。小波變換在心電、腦電、脈搏波等信號的噪聲去除、特征提取和自動分析識別中也已經(jīng)取得了許多重要的研究成果。

3.4人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)

人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是一種模仿生物神經(jīng)元結(jié)構(gòu)和神經(jīng)信息傳遞機(jī)理的信號處理方法。目前學(xué)者們提出的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型種類繁多。概括起來,其共性是由大量的簡單基本單元(神經(jīng)元)相互廣泛聯(lián)接構(gòu)成的自適應(yīng)非線性動態(tài)系統(tǒng)。其特點(diǎn)是:(1)并行計算,因此處理速度快;(2)分布式存貯,因此容錯能力較好;(3)自適應(yīng)學(xué)習(xí)(有監(jiān)督的或無監(jiān)督的自組織學(xué)習(xí))。